VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электромагнитные ускорители масс
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
Актуальность исследования: С середины 20 века электромагнитные ускорители масс рассматриваются людьми, как полезные приборы для различного рода применения. Актуальный вопрос: где можно применять ЭУМ с наибольшей полезностью.
Объект и предмет исследования: Объектом исследования является электромагнитный ускоритель масс - установка для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил. Предметом исследования является возможность широкого использования данных установок.
Степень разработанности проблемы: Считается, что первыми выдвинули идею электромагнитной пушки французские инженеры. Работа по модернизации электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Электромагнитные ускорители - перспективное устройство, которое, несомненно, будет применяться в будущем в промышленности, науки, быту и военном деле. В настоящее время существует множество видов электромагнитных ускорителей масс. Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия.
Цель исследования: Создание работоспособной модели ускорителя масс.
Задачи исследования:
Дать определение электромагнитным ускорителям масс;
Объяснить принцип действия и строение каждого из них;
Изучить их применение на практике;
Собрать работоспособную модель ускорителя масс для наглядной демонстрации её способностей;
Выяснить преимущества и недостатки каждого из видов ЭУМ;
Гипотеза исследования: Электромагнитные явления были исследованы давно, и на их основе было изобретено очень много вещей, которыми люди пользуются, и будут пользоваться в течение всей жизни. Но также есть такие изобретения, которые не так широко используются, но стоят внимания. Среди них электромагнитные ускорители масс.
Методы исследования:
Изучение информации по данной теме по следующим источникам:
Интернет-сайты с информацией об ЭМУ
СМИ (рубрики с телевидения об ЭМУ)
Проведение практической работы по сборке работоспособной модели ЭМУ
Интерпретация результатов
Научная новизна: Преимущества электромагнитной пушки Гаусса по сравнению с другими видами оружия — возможность гибко варьировать начальную скорость и энергию снаряда, а также бесшумность выстрела. Ускоритель может работать в любых условиях, в том числе и космосе. Электромагнитный ускоритель может иметь высокую скорострельность, так как система позволяет досылать снаряд сразу после первого. Однако, идея может получить вторую жизнь в случае изобретения новых компактных и сверхмощных источников тока.
Практическая значимость: Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту, так как при стационарном использовании есть возможность иметь большой источник энергии. Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность). Практическая значимость самой работы состоит в возможности ее использования как демонстрационного материала на уроках и внеклассных мероприятиях по физике.
Структура работы: Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и литературы.
II. Основная часть
Глава 1. Электромагнитные ускорители масс: определение, виды, их происхождения, строения и принципы действия.
Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ) - общее название установки для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил.
ЭМУ принято подразделять на три вида:
Рельсотрон
Катушка Томпсона
Пушка Гаусса
Рельсотрон – электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы Ампера.
Термин «рельсотрон» был предложен в конце 1950-х годов советским академиком Львом Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы». Причиной разработки подобных устройств, являющихся перспективным оружием, стало то, что, по оценкам экспертов, использование порохов для стрельб достигло своего предела — скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек.
В 1970-х годах рельсотрон был спроектирован и построен Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета.(см.приложение№1)
Принцип действия:
Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых рельсами, подключённых к источнику мощного постоянного тока. Разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение вследствие силы Ампера, действующей на замкнутый проводник с током в его собственном магнитном поле. Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.
Катушка Томпсона – индукционный ускоритель масс.
В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.
Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика. При протекании электрического тока в соленоиде возникает электромагнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит, так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому, что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитически конденсаторыбольшой ёмкости и с высоким рабочим напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
Глава 2. Применение ЭМУ
Подобные ускорители давно используют в промышленности и транспортной сфере. В более узком понимании это устройство известно как соленоид и линейный двигатель. Такие двигатели широко применяются в высокоскоростных поездах. Примером служит поезд на магнитной подушке Maglev. Еще более распространенная сфера применения линейных двигателей – высокоточные манипуляторы в станках, современных автоматических дверях и других схожих устройствах. В целом – везде, где есть необходимость преобразования электроэнергии в прямолинейное движение определенных объектов. В 2005 году ВМС США запустили программу по разработке рельсовых орудий под названием Velocitas Eradico, которые должных использоваться в будущем, как мощное оружие, применяемое на море.
По данным первого зампреда комитета Совета Федерации по обороне и безопасности Франца Клинцевича, работа по созданию электромагнитной пушки (рельсотрона) активно ведётся и в России. Предполагается его использование в Воздушно-космических силах, а также в космонавтике для вывода на орбиту полезных грузов.
Глава 3.
Преимущества ЭМУ
Способность разгонять снаряд малых масс, вследствие чего пуля приобретает огромную разрушительную силу (особенно у рельсотрона);
Простое строение и простота в использовании (у пушки Гаусса и катушки Томпсона);
Сравнительная безопасность использования (у пушки Гаусса и катушки Томпсона);
Бесшумность выстрела (у пушки Гаусса);
Недостатки ЭМУ
Очень высокое потребление электроэнергии (у рельсотрона);
Очень маленький КПД (особенно у рельсотрона). Дульная энергия снаряда равна 10 МДж, при том, что сама установка питается энергией в 100МДж, из чего следует, что КПД рельсотрона составляет примерно 10%;
Большие по габаритам размеры установки (у рельсотрона);
Большая опасность электрического тока (в рельсотроне используется сила тока, которая примерно в 10 раз больше, чем у молнии);
Глава 4. Практическая часть
Практическая часть заключается в сборке работоспособной модели пушки Гаусса. (см.приложение№2)
План работы:
Составить и начертить принципиальную схему будущей пушки;
Нарисовать рисунок с примерным расположением компонентов цепи;
Сделать чертежи модели;
Собрать модель;
Проверить модель на работоспособность;
Вывести некоторые характеристики нашей пушки;
Принципиальная схема пушки Гаусса:
Рисунок:
1 – сетевая вилка; 2 – лампа накаливания; 3 – диод; 4 – конденсатор; 5 – катушка индуктивности; 6 – кнопка; 7 – гальванический элемент; 8 – тиристор;
Чертежи:
П ушка Гаусса
Характеристики модели:
Индуктивность катушки в стартовой позиции = 1178 микроГенри
Ёмкость конденсатора = 470 микроФарад
Начальное напряжение = 450 Вольт
Сопротивление обмотки = 1.12, Ом
Масса пули = 1.65 г
Общее время выстрела = 4150 микросекунд
Энергия пули начальная,= 8.27 Дж
Энергия пули конечная,= 0.38 Дж
Энергия конденсатора начальная,= 47.58 Дж
Энергия конденсатора конечная= 0 Дж
Расход энергии конденсатора = 47.5875 Дж
КПД, % = 0.8071467503121468
Начальная скорость пули = 0.1, м/с
Конечная скорость пули = 21.5 м/с
Максимальная скорость пули, (в катушке) = 22.4 м/с
Средняя сила выстрела = 8.44 Н
III. Заключение
Проведя эту исследовательскую работу, я подробно изучил электромагнитные ускорители масс, выяснил, где они применяются, выявил их преимущества и недостатки. Также я собрал работоспособную модель пушки Гаусса. Исходя из её характеристик, могу сказать, что при хороших лабораторных условиях, имея все необходимые ресурсы, можно собрать пушку с увеличенным КПД, которой можно заменить огнестрельное оружие у военных. Главным его преимуществом является бесшумность выстрела, а его недостатками сравнительно большой размер и масса, за счёт мощного источника энергии. На сегодняшний день пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
Также такой прибор можно применить для запуска искусственных спутников на орбиты Земли.
Использованная литература:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаргун В.М. Физика 11, «Просвещение», М., 2010Г., 339 С
Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма, «Стереотип», М., 1991 г., 288 с.
Ресурсы удаленного доступа
Легендарная Гаусс-пушка своими руками http://www.sciencedebate2008.com/handmade-gauss-cannon/
Лунариум: Электромагнитный ускоритель масс http://planetarium-moscow.ru/about/news/detail.php?ID=7569
Магнитный ускоритель масс http://www.gauss2k.narod.ru/theory.htm
Пушка Гаусса https://ru.wikipedia.org/wiki/
Электромагнитная пушка: оружие будущего https://www.techcult.ru/technics/1831-elektromagnitnaya-pushka
Приложение№1
Внешний вид экспериментальной пушки на принципе рельсотрона (США)
Момент выстрела из экспериментальной пушки - рельсотрона
Приложение№2
Детали ЭУМ